DE4438993A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Außenkontur und Abmessungen von Körpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur tomographischen Vermessung und Digitali­ sierung von Körpern gemäß dem Oberbegriff des Haupt­ anspruches.

Bisher werden verschiedenste Verfahren zur Koordina­ tenmessung oder Digitalisierung von Bauteilen verwen­ det. Hierbei handelt es sich um taktile Sensoren, die Oberflächenpunkte eines Bauteiles durch mechanische Abtastung ermitteln. Optische Sensoren beruhen auf Prinzipien, wie Laser-Triangulation oder dem Moirê- Verfahren. Alle diese Verfahren haben den Nachteil, daß zur vollständigen Erfassung meist ein Umspannen des zu messenden Bauteiles erfolgen muß. Weiterhin können mit diesen Verfahren Hinterschneidungen nur sehr eingeschränkt vermessen oder digitalisiert wer­ den.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem/der - unabhängig von der Komplexität der Geometrie und Hinter­ schneidungen - vollständige Meßdaten über die Ober­ fläche und Kontur eines Körpers erfaßbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den kennzeichnenden Teilen des Anspruchs 1 für das Ver­ fahren und des Anspruchs 9 für die Vorrichtung ent­ haltenen Merkmale gelöst. Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Für die Vermessung der Körper können bekannte Tomo­ graphen verwendet werden. Dabei ist jedoch zu beach­ ten, daß die meisten Materialien bei den aufgezeigten Bauteilen keine Atomkerne mit einem für diese Anlagen ausreichendem Kernmoment aufweisen und somit mit Kernspintomographen nicht detektiert werden können. Röntgentomographen sind ebenfalls nur bei einigen wenigen Materialien verwendbar, da zum einen der schwächungskoeffizient von vielen Materialien so hoch ist, daß kein meßbares Signal ankommt oder aber - wie bei Metallen - eine Streuung am Kristallgitter er­ folgt, die die Ortsauflösung eingrenzt.

In der Medizintechnik werden tomographische Verfahren wie Röntgen-Computertomographie und Kernspin-Tomogra­ phie verwendet. Diese Verfahren dienen zur medizi­ nischen Diagnostik. Im folgenden sollen beide Verfah­ ren kurz beschrieben werden.

Ein Computertomograph liefert überlagerungsfreie Schichtaufnahmen eines Objektes. Das Prinzip beruht auf der Messung der Röntgenstrahlabschwächung beim Durchdringen eines Körpers. Die Aufnahme einer Schicht des Körpers erfolgt durch Rotation der Strah­ lungsquelle und des gegenüberliegenden Detektors um 360 Grad um den Körper. Aus den Messungen ist be­ kannt, wie stark der Röntgenstrahl in den verschiede­ nen Richtungen abgeschwächt wird. Hieraus läßt sich für kleine Flächeneinheiten der für die jeweilige Flächeneinheit zugehörige Schwächungskoeffizient be­ rechnen und als Grauwert wiedergeben. Durch Transla­ tion von Strahlungsquelle und Detektor senkrecht zur Rotationsebene und Wiederholen der Flächenmessung erhält man ein dreidimensionales Bild, das aus klei­ nen Volumenelementen (Voxeln) besteht, für die der jeweilige Schwächungskoeffizient bekannt ist. Diese Grauwerte können unterschiedlichen Geweben zugeordnet werden. Da sich die Wertebereiche der Schwächung von verschiedenen Geweben überschneiden, ist eine eindeu­ tige Zuordnung nicht direkt möglich und erfordert spezifische Fachkenntnisse.

Kernspin-Tomographen beruhen auf der magnetischen Kernspin-Resonanz. Es werden Übergänge zwischen zwei geeigneten Energiezuständen gemessen. Hierbei werden Atomkerne mit einem magnetischen Moment detektiert. Dieses magnetische Moment wird leicht verändert, wenn das Atom, dem der Kern gehört, eine Molekülbindung eingeht. In einem starken äußeren Magnetfeld B₀ kön­ nen sich diese magnetischen Momente in diskreten Zu­ ständen mit unterschiedlichen Energieniveaus ausrich­ ten. Sie spalten somit in unterschiedliche Energiezu­ stände auf. Die Größe dieser Energieaufspaltung ΔE läßt sich bei Kenntnis des magnetischen Momentes des Kernes und des äußeren Magnetfeldes berechnen. Er­ zeugt man senkrecht zu B₀ ein schwaches magnetisches Wechselfeld B1 der Frequenz γ = ΔE/h (wobei h die Plancksche Konstante ist), so werden Übergänge zwi­ schen diesen Niveaus induziert. Man spricht hierbei von Resonanz. Bei der Kernspin-Tomographie wird die örtliche Verteilung von Atomen mit bekanntem Kernspin und magnetischem Kernmoment gemessen. Hierzu wird ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld mit konstan­ ter Frequenz n angelegt. Senkrecht hierzu wird ein sich zeitlich und örtlich veränderbares Magnetfeld angelegt. Induktionssignale entstehen an den Orten, wo B₀, µ und γ im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Durch zeitliche Koinzidenzmessung von Induk­ tionssignalen und Zuordnung zu den Raumpunkten mit geeignetem Magnetfeld B₀ kann somit die lokale Ver­ teilung von Atomen oder Molekülen festgestellt wer­ den. Das äußere Magnetfeld B₀ liegt typischerweise im Bereich von 1000 Gauß, wodurch die Frequenz von B1 im GHz-Bereich liegt. Der Aufbau ist auch hier so ge­ staltet, daß nacheinander Ebenen gemessen und die Ergebnisse zu Informationen über das gesamte Volumen zusammengefaßt werden. Apparativ sind diese Anlagen sehr anspruchsvoll, da die Erzeugung der hohen Magnetfelder aufwendig ist.

In der Physik sind weitere meßtechnische Verfahren bekannt, die auf materialdurchdringender zerstörungs­ freier Strahlung beruhen und für physikalische Analy­ sen verwendet werden. Ein Beispiel hierzu ist die Elektronenspin-Resonanz. Hierbei werden die magneti­ schen Momente von Elektronen gemessen. Der apparative Aufbau ist ähnlich dem bei Kernspinresonanz, wobei wegen der verhältnismäßig kleinen Elektronenmasse die Frequenz des magnetischen Feldes B1 im MHz-Bereich liegt. Weiterhin können nur Verbindungen mit ungesät­ tigten Elektronen gemessen werden. Ein Einsatz in der Medizintechnik analog zur Kernspin-Tomographie ist somit nicht möglich, da organische Verbindungen abge­ sättigte Elektronenschalen besitzen.

Gemeinsam mit dem Einsatz von materialdurchdringen­ der, zerstörungsfreier Strahlung und ortsaufgelöster Messung der Wechselwirkungen dieser Strahlung mit der Materie des Körpers und der Materie eines das Bauteil umhüllenden Stoffes oder Stoffgemisches wird ein we­ sentlicher Beitrag zur Lösung dieser Problematik ge­ leistet, mit dem auch die vollständige Digitalisie­ rung von Bauteilen aus verschiedenen Materialien (Kunststoff, Keramik, Holz, Metall etc.), wie sie in unterschiedlichsten Branchen (Automobilbau, Maschi­ nenbau etc.) verwendet werden, ermöglicht wird. Bei prinzipiell ähnlichem Aufbau wie bei der Tomographie (Messung von Schwächungskoeffizient oder Resonanzsi­ gnalen innerhalb einer Ebene und Aufbereitung zu Vo­ lumeninformationen) wird hier nicht das Bauteil ver­ messen, sondern der dieses umgebende Stoff oder das Stoffgemisch, in welches das Bauteil zur Messung ein­ gebettet wird. Der Stoff oder das Stoffgemisch muß folgende Eigenschaften besitzen: Das Bauteil muß so eingebettet werden können, daß der Stoff oder das Stoffgemisch den Körper völlig und lückenlos um­ schließt. Hierzu bieten sich neben Flüssigkeiten und Gasen auch Pulver an, da diese Hinterschneidungen keine oder nur wenige Probleme bereiten. Aus prakti­ schen Gründen befinden sich sowohl Bauteil als auch Stoff oder Stoffgemisch in einem Behältnis.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Anordnung eines Bauteiles in einer Meß­ vorrichtung und

Fig. 2 in einem Diagramm das Schwächungsverhalten von Röntgen- und Neutronen.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Di­ gitalisierung durch ortsaufgelöstes Messen des Schwä­ chungskoeffizienten. Hierbei sind bei der Wahl der einzelnen Module (Strahlung, Detektor, Stoff oder Stoffgemisch, Behältnismaterial) bei vorgegebenen Materialarten der zu messenden Bauteile 1 folgende Regeln zu beachten. Die Strahlung sollte so gewählt sein, daß sie vom Bauteil 1 wenig geschwächt und nach Möglichkeit nicht oder nur sehr schwach gestreut wird. Bei elektromagnetischen Wellen wird somit nach einem sogenannten optischen Fenster des Bauteilmate­ rials (z. B. bei Metallen oberhalb der Langmuir-Fre­ quenz und bei Halbleitern unterhalb der Bandkante) gesucht. Bei dieser Auswahl müssen jedoch auch die Eigenschaften von erhältlichen Strahlungsquellen 2 und Detektoren 3 beachtet werden. Das Behältnis 4 sollte die verwendete Strahlung möglichst wenig ab­ schwächen. Der Stoff oder das Stoffgemisch 5 wird so gewählt, daß die Abschwächung im Meßraum so klein ist, daß noch meßbare Signale ankommen. Andererseits sollte sie so hoch sein, daß eine möglichst hohe ört­ liche Auflösung zu erzielen ist. Es ist zweckmäßig, die Vorrichtung so aufzubauen, daß Strahlungsquelle 2 und Detektor 3 leicht ausgewechselt werden können. Als Ergebnis der Messung erhält man eine Anzahl von Voxeln, die das Volumen des Behältnisses 4 ausfüllen. Hierbei haben alle Voxel, die Orten entsprechen, an denen sich der Stoff oder das Stoffgemisches 5 befin­ det, nahezu denselben Grauwert und sind somit bei geeigneter Modulwahl eindeutig zu identifizieren.

Schwankungen des Schwächungskoeffizienten durch Mate­ rialinhomogenitäten spielen keine Rolle, solange sie nicht im Bereich des Stoffes oder Stoffgemisches 5 liegen. Die Nachteile, wie sie bei der Kernspin-Tomo­ graphie durch Organe mit überlappenden Grauwertberei­ chen entstehen, sind hier nicht vorhanden. Die Orts­ daten der Grauwerte, die dem Stoff oder Stoffgemisch 5 entsprechen, liefern somit die Umhüllende des Bau­ teiles 1. Durch Inversion kann die Geometrie des Bau­ teiles 1 direkt berechnet und zum Beispiel zu CAD- Daten aufbereitet werden. In einzelnen Fällen kann auch das Bauteil 1 mit gleichem Meßaufbau und glei­ cher Verfahrensweise direkt vermessen werden (hierbei können sogar Bereiche mit unterschiedlichen Materia­ lien erfaßt werden), wobei kein Stoff oder Stoffge­ misch 5 notwendig ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die ortsaufgelöste Messung von Resonanzsigna­ len. Auch hier wird in idealer Weise der Stoff oder das Stoffgemisch 5 gemessen, da sich hierdurch die Module optimal selektieren lassen. Der Stoff oder das Stoffgemisch 5 muß hierbei zwei diskrete, möglichst scharfe Energiezustände haben, deren Energieabstand in eindeutiger Weise aus der Stärke eines äußeren Feldes hervorgeht. Senkrecht zu diesem Feld wird ein schwaches elektromagnetisches Wechselfeld einge­ strahlt, welches Übergänge zwischen den beiden Ener­ gieniveaus induziert. Wie bei der Kernspin-Tomogra­ phie erfolgt das Verändern der Felder in der Weise, daß zu jedem Zeitpunkt die Resonanzbedingung nur bei einem Pixel in einer Ebene erfüllt ist. Durch eine Koinzidenzmessung des Resonanzsignals können die Vo­ xel detektiert werden, an denen sich der Stoff oder das Stoffgemisch 5 befindet. Bedingung ist, daß das Bauteil 1 das äußere Feld nicht verändert und das Wechselfeld nicht absorbiert. Da im Gegensatz zur Kernspin-Tomographie hier spezielle Stoffe oder Stoffgemische 5 eingesetzt werden können, ist es mög­ lich, unterschiedliche physikalische Effekte für die­ se Messung auszunützen. Dies sind neben der Kernspin­ resonanz z. B. die Elektronenspin-Resonanz (ESR), der Stark-Effekt oder der Zeeman-Effekt. Es kann auch mit einer Neutronen-Computertomographie gearbeitet wer­ den.

Die Elektronenspin-Resonanz hat den Vorteil, daß der Effekt nur bei Materie mit paramagnetischen Elektro­ nen auftritt. Die meisten organischen Verbindungen und viele anorganische (mit Ausnahme der Elektronen (Löcher) im Leitungsband (Valenzband) bei Metallen und Halbleitern) besitzen abgesättigte Elektronen­ schalen und sind somit für ESR unsichtbar. Um diese Technologie für die Koordinatenmeßtechnik zu er­ schließen, bietet sich die Verwendung einer Verbin­ dung mit freien Radikalen (Molekülgruppen mit unge­ paarten Elektronen) als Stoff oder Stoffgemisch 5 zur Messung an. Wichtig ist, daß diese meist chemisch reaktionsfreudigen Stoffe das Bauteil 1 nicht angrei­ fen und unverbreiterte (scharfe) Energieniveaus be­ sitzen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Einstellung des Energieabstandes durch ein äußeres elektrisches Feld. Auch hierdurch können Energieniveaus in Abhängigkeit der Feldstärke in scharfe Niveaus aufgespalten wer­ den. Zwischen diesen Niveaus sind ebenfalls Resonanz­ übergänge möglich.

Ein weiterer Vorteil dieser Verfahren ist es, daß durch geeignete Wahl des Stoffes oder Stoffgemisches 5 (Energieabstand für Resonanzübergang) die Stärke des äußeren Feldes reduziert werden kann. Hierbei wird ein Stoff oder Stoffgemisch 5 verwendet, der/das die benötigte Energieaufspaltung schon bei schwachen Feldern besitzt. Durch eine Reduktion des äußeren Magnetfeldes können die Kosten von Tomographen dra­ stisch gesenkt werden.

Eine weitere Möglichkeit bietet sich durch die Ver­ wendung von schnellen oder thermischen Neutronen als Strahlungsquelle. Weil Röntgenstrahlen mit der Atom­ hülle wechselwirken, Neutronen dagegen mit den Atom­ kernen, enthalten die unterschiedlichen CT-Bilder unterschiedliche Informationen. Aus diesem Grunde ist auch das Schwächungsverhalten bezüglich Neutronen unterschiedlich gegenüber Röntgenstrahlung. Da im Quellspektrum von schnellen Neutronen ein großer An­ teil von Gammastrahlung enthalten ist, kann simultan ein zum Neutronenbild komplementäres Gammabild be­ rechnet werden. Fig. 2 gibt einen Überblick über die Röntgen bzw. Neutronen-Massenschwächungskoeffizienten in Abhängigkeit von Atomzahlen. Die Selektion des Stoffes bzw. Stoffgemisches kann anhand solcher Dia­ gramme abgeleitet werden. Soll z. B. ein Körper aus Nickel vermessen werden, so bieten sich Fluide wie z. B. Wasser oder Propanol sowie die Verwendung von schnellen Neutronen als Strahlungsquelle an. Der Mas­ senschwächungskoeffizient von allen Elementen ((Kohlenstoff), Sauerstoff und Wasserstoff) dieser beiden Fluide liegen deutlich höher als die von Nik­ kel. Daher ist ein guter Kontrast gewährleistet.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung der Außenkontur und/- oder geometrischer Abmessungen von Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Oberflä­ che des Körpers gebildete Innenkontur eines den Körper vollständig umschließenden Stoffes oder Stoffgemisches mit materialdurchdringender, zer­ störungsfrei wirkender Strahlung und ortsaufge­ löster Messung der Wechselwirkung von Strahlung, Körper und dem Stoff oder Stoffgemisch gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß nach der Vermessung durch Digitalisie­ rung und Invertierung der gemessenen Koordinaten die Körpergeometrie bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Stoff oder Stoffgemisch ein Fluid verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Stoff oder Stoffgemisch für das verwendete Meßprinzip ein homogener Stoff ver­ wendet wird, der die Meßsignale eindeutig zuor­ denbar beeinflußt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Computertomogramm der Geometrie der Innenkontur des Stoffes oder Stoffgemisches, das den Körper umgibt, ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Röntgen-Computertomogramm erstellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Kernspin-Tomogramm erstellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Elektronenspin-Tomogramm erstellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Neutronen-Computertomogramm er­ stellt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu vermessender Körper (1) in einem Behältnis (4) von einem Stoff oder Stoffgemisch (5) umschlos­ sen ist und ein Detektor (3) zur Erfassung unter Einwirkung von einer Strahlungsquelle (2) er­ zeugter Meßsignale angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Strahlungsquelle (2) und Detektor (3) bewegbar angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Strahlungsquelle (2) und Detektor (3) um den Körper (1) rotatorisch bewegbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsquelle (2) und Detektor (3) um den Körper (1) translatorisch und rotatorisch bewegbar sind.